Dose efficace
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Introduction

En physique nucléaire, la dose efficace est une grandeur physique mesurant l'impact sur les tissus biologiques d'une exposition à un rayonnement ionisant, notamment à une source de radioactivité. Il se définit comme la dose absorbée, à savoir l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) reçue par unité de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...), corrigée d'un facteur sans dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...) prenant en compte la dangerosité relative du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) considéré et la sensibilité du tissu irradié.

L'unité de la dose efficace (En physique nucléaire, la dose efficace est une grandeur physique mesurant l'impact sur les tissus biologiques d'une exposition à un rayonnement ionisant,...) est le sievert (Sv), en l'honneur du physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui...) Rolf Sievert, et peut s'exprimer en équivalent efficace de joule par kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international d’unités (SI).) (J/kg). L'ancienne unité, le rem, vaut 10 mSv (100 rem = 1 Sv).

Utilisation

La dose efficace est une unité utilisée en radioprotection (La radioprotection désigne l'ensemble des mesures prises pour assurer la protection de l'homme et de son environnement contre les effets néfastes des rayonnements ionisants.) pour prédire les risques stochastiques liés à une irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de...) chronique. Il n'est pas approprié pour prévoir les effets d'une irradiation aiguë.

La dose efficace

Calcul général

À partir des doses absorbées DR,T délivrée par différents rayonnements R sur différents tissus T la dose efficace est calculée selon :

E = \sum_\mathrm{T} \sum_\mathrm{R} w_\mathrm{T} w_\mathrm{R} D_\mathrm{R,T}\,.

où les wT sont les facteurs de pondération des tissus et les wR les facteurs de pondération des rayonnements.

On peut aussi écrire E en fonction des doses équivalentes HT délivrés sur les tissus T :

E = \sum_\mathrm{T} w_\mathrm{T} H_\mathrm{T}\,.

Dans la pratique, la dose efficace est la somme de la dose externe mesurée directement par un dosimètre (Un dosimètre est un instrument de mesure destiné à mesurer la dose radioactive ou l'équivalent de dose reçus par une personne exposée à un rayonnement ionisant.) et de la dose interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) estimée par le médecin (Un médecin est un professionnel de la santé titulaire d'un diplôme de docteur en médecine. Il est chargé de soigner les maladies, pathologies, et blessures de ses patients. Son métier est intimement lié avec...) à partir de l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) incorporée dans l'organisme.

Facteur de pondération des tissus

tissu wT wT
gonades 0,20 0,08
moelle osseuse (La moelle osseuse est tissu situé au centre des os. Il y en a deux formes: la moelle jaune (tissu adipeux) qui prend le nom de moelle grise en...) 0,12 0,12
côlon (Le côlon, aussi appelé "gros intestin", court du cæcum jusqu'au rectum et constitue la partie terminale de l'intestin, appartenant à l'appareil digestif. Il fait suite à l'iléon au niveau...) 0,12 0,12
poumon (Le poumon est un organe invaginé permettant d'échanger des gaz vitaux, notamment l'oxygène et le dioxyde de carbone. L'oxygène est nécessaire au métabolisme de l'organisme, et le...) 0,12 0,12
estomac (L’estomac (en grec ancien στόμαχος) est la portion du tube digestif en forme de poche, située entre...) 0,12 0,12
vessie (La vessie est l'organe du système urinaire dont la fonction est de recevoir l'urine terminale produite par les reins puis de la conserver avant son évacuation au cours de la miction. L'urine arrive dans la vessie par...) 0,05 0,04
sein 0,05 0,12
foie (Le foie est un organe abdominal impair et asymétrique, logé chez l'homme dans l'hypocondre droit, la loge sous-phrénique droite, la partie supérieure du creux...) 0,05 0,04
œsophage 0,05 0,04
thyroïde (La thyroïde ou glande thyroïde est la plus volumineuse des glandes endocrines (sécrétant des hormones) chez l'être humain.) 0,05 0,04
peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.) 0,01 0,01
surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...) des os 0,01 0,01
glande salivaire 0,01
cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et constitue le siège...) 0,01
ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des autres tissus 0,05 0,12

La dose interne

La dose interne est déterminée à partir de la mesure de l’activité de l’organisme ou des excrétas.

La première étape consiste à déterminer l’activité incorporée grâce à des modèles biocinétiques. Cette activité incorporée associée à des tables de la CIPR permet d’évaluer la dose engagée.

Modèles d'entrée

Avant de déterminer le devenir de chaque radio isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau...) dans l’organisme, il faut savoir si la substance inhalée ou ingérée sera transférée dans le système sanguin.

Pour étudier cela, la CIPR a développé deux modèles d’entrée :

  • Le modèle respiratoire : il est constitué de cinq régions, 2 secteurs extra thoraciques (ET1 et ET2) et 3 secteurs thoraciques (BB, bb et AI). Le risque d’incorporation par inhalation est le plus important chez les travailleurs, ce modèle est donc le plus utilisé. Il est étroitement lié à la granulométrie des particules ainsi qu'à la forme chimique du radio-isotope et la solubilité de la substance. Trois types de particules ont donc été définies :
Types Période biologique Absorption de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) déposée Exemples
ET2 BB et bb AI
F 100 % en 10 min 50 % absorbée

50 % ingérée

100% 100% Tous les composés de Cs, I
M 10 % en 10 min

90 % en 140 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...)

5% 10% 70% Tous les composés de Ra, Am
S 0,1 % en 10 min

99,9 % en 7000 jours

~ ~ 10% Composés insolubles de U et Pu
  • Le modèle alimentaire : Il a été récemment corrigé par la CIPR. les particules ingérées sont absorbées selon un facteur d’absorption gastro-intestinal. Ce facteur, comme dans le cas de particules inhalées, dépend de la forme physico-chimique des radionucléides ingérés.
  • Un modèle de transfert pour les blessures existe également.

Activité incorporée, fonction de rétention

L’estimation de l’activité incorporée(AI) est basée pour chaque individu (Le Wiktionnaire est un projet de dictionnaire libre et gratuit similaire à Wikipédia (tous deux sont soutenus par la fondation Wikimedia).) sur la période physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) et la période biologique de chaque isotope.

Elle peut être déterminée par le médecin du travail à partir :

  • Soit de l’activité présente dans l’organisme grâce à une mesure directe, dite in vivo, de la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène...) de l'individu : les rayons émis à travers le corps sont directement mesurés par anthroporadiamétrie ;
  • Soit de l’échantillon biologique grâce à une mesure indirecte d’échantillons biologiques éliminés par l’organisme (urines...).
AI = \tfrac{M}{m(t)}

Si M est l'activité mesurée de l'organisme, m(t) est la valeur de la fonction de rétention R(t) pour un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) t
Si M est l'activité mesurée de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) biologique, m(t) est la valeur de la fonction d’excrétion E(t) pour un temps t (depuis l’incorporation).

Les fonctions de rétention dépendent de certains éléments tels que :

  • le type d’exposition : aiguë ou chronique
  • le ou les modes d’incorporation(s)
  • les radio-isotopes contaminants ainsi que leurs formes physico chimiques
  • la physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science) étudie le rôle, le...) du sujet (âge, morphologie, rétention des radio-isotopes dans les organes…)
  • le mode de vie (La vie est le nom donné :) (carence en iode)
  • les traitements d’urgence (ex : prise d’iode) et les médicaments

Ces différentes variables, étudiées dans les modèles systémiques, sont généralement mal identifiées, surtout celles qui dépendent de la physiologie du sujet. La CIPR recommande néanmoins l’utilisation de valeurs de référence moyennes, décrites dans ses publications.

De plus, la date de l’exposition est necessaire pour remonter à l’activité incorporée et à la dose. C'est une donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction,...) souvent difficile à déterminer avec précision.

Dose efficace engagée

La composante interne de la dose efficace peut être déterminée à partir de l’activité incorporée (AI, en Bq ou Bq/jour), en utilisant la DPUI (dose efficace engagée par unité d’incorporation, en Sv.Bq-1). Ce coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un...) prend en compte les deux facteurs de pondération (Wr et wt) ainsi que les fonctions de rétention.

Ainsi, pour une exposition aiguë la dose efficace engagée sur 50 ans est : E_{50} = AI \times DPUI

Et pour une exposition chronique, pendant I jours : E_{50} = AI \times I \times DPUI

Les valeurs de référence des DPUI par ingestion et inhalation sont définies par la CIPR et proposées dans l’arrêté français du 1er septembre 2003

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